1.3.4.1城市给排水

    水是人类的生命之源，是城市得以生存和发展的最重要的支持要素，在某种程度上限定和决定了城市的性质、规模、产业结构、布局形态、发展方向等，因此，城市发展对水有很高的依存度。城市给水排水工程涉及水资源部分、土木工程、管道工程、地质、气象、水文等许多方面的内容，规划较为复杂，工程也比较繁琐。随着城市建设的不断发展，各个城市的城市给排水工程已不再是一个独立的部分，而是正在向着一个统一的系统发展，所以更需要加强各方面技术的支持和保障。

    给水工程为居民和厂、矿、运输企业供应生活、生产用水的工程以及消防用水、道路绿化用水等，由给水水源、取水构筑物、原水管道、给水处理厂和给水管网组成，具有取集和输送原水、改善水质的作用。

    排水系统的构成主要是由排水管网和污水处理系统组成，对于城市中的污水、雨水以及生活废水等进行处理，将其排出城市，减少对城市的污染和影响。由排水管系（或沟道）、废水处理厂和最终处理设施组成。本调查不包括工厂的污水处理，以及再生水造成的腐蚀问题。

    我国城市供水事业自新中国成立以来有了迅速发展。截至2010年底，全国城镇（设市城市、县城和建制镇）供水能力（包括公共供水和自建设施供水）总计3.87亿立方米/日，用水人口6.30亿人，管网长度103.55万公里，年供水总量714亿立方米。其中，设市城市供水能力2.76亿立方米/日，用水人口3.81亿人，管网长度53.98万公里，年供水量508亿立方米；县城供水能力0.47亿立方米/日，用水人口1.18亿人，管网长度15.99万公里，年供水量93亿立方米；建制镇供水能力0.64亿立方米/日，用水人口1.31亿人，管网长度33.58万公里，年供水量113亿立方米。与2000年相比，全国设市城市和县城新增供水能力0.68亿立方米/日，增长26.67%；新增用水人口2.30亿人，增长85.50%。随着城市化进程的加快，城市供水对城市的发展发挥着愈来愈重要的作用。

    据不完全统计，按敷设时间分类，1953年以前敷设（使用年限在50年以上）的管道5, 193公里，占6.2%；1954-1965年之间敷设（使用年限在40～50年）的管道6, 822公里，占8.1%；1966-1978年之间敷设（使用年限在27～40年）的管道11, 110公里，占13.2 %；1979-1995年之间敷设（使用年限在10~26年）的管道31, 641公里，占37.5%；1996年以后敷设（使用年限在10年内）的管道29, 583公里，占35.1%。目前，供水管网采用的管道主要有灰口铸铁管、球墨铸铁管和水泥管等。其中，灰口铸铁管43, 362公里，占管网总长度的50.8%；水泥管11, 133公里，占13.0%；镀锌铁管等低质管材，占6.0%。质量较好的管材所占比重较少：球墨铸铁管14, 135公里，占16.8%；钢管6, 977公里，占8.2%；PVC管4, 467公里，占5.2%。

    与欧美及日本等工业发达国家相比，我国城市排水管网建设存在较大差距，2008年我国城市排水管网普及率约为60%，其中小城镇现状排水管网普及率更低，约40~60%，远低于国家排水管网覆盖率80 %标准要求。2001~2010 年全国新增排水管道228, 000km。城市排水管道密度呈现同样增长趋势。截止2010年底，我国城市排水管道长度总量达到370, 000km，城市排水管道密度为9.0 km/km2。按照2010年我国城市化率46.6%的水平，经计算城镇人均排水管长度仅0.57m。与发达国家相比，我国城市排水管网不论是总量，还是人均占有量和管网密度均落后，且差距悬殊。

    在城市供水领域中，金属管道作为主要给水管材之一已经应用了几个世纪，根据统计，我国目前90 % 以上的供水管道是铸铁管、钢管，近几年新建的给水管道仍有 85% 采用金属管道。目前，世界上约有50 % 以上的管网己经用了30 年甚至更长时间。由于腐蚀、磨损、意外损坏等原因，管线发生泄漏的可能性变得越来越大。漏失不仅浪费了宝贵的水资源，还给供水企业造成了巨大的经济损失。

    腐蚀是金属管道的变质现象，主要表现方式是生锈、坑蚀、结瘤、开裂或脆化等。管道防腐措施不当或防腐质量不佳，特别是中小管径的钢管，由于管壁较薄，防腐层太薄，容易造成腐蚀。厦门市2002 年管道因腐蚀而漏损占了1/3；南宁市 DN80 以下镀锌钢管管道总量不大，却占修漏次数的66.55%。金属管道腐蚀的危害具体表现为：首先，使管网水质浊度、色度、细菌种类和数量、铁、锰以及有毒重金属离子浓度等水质指标恶化，引发管网“红水”、“ 黑水”或“有色水”现象，对饮用水的安全性造成严重影响。对占全国总供水量 42.44% 的 36 个城市调查表明，出厂水平均浊度为1.3度，而管网水增加到1.6度；色度由5.2 度增加到6.7度；铁由 0.09 mg/L 增加到 0.11 mg/L；细菌总数由 6.6 cfu/mL 增加到 29.2 cfu/mL。根据芝加哥1968年供水管网水样与出厂水水样的水质对比得出，镉、铬、钴、铜、铁、铅、锰、镍、银、锌等元素的浓度在15%～67% 的水样中有所增加。其次，长期腐蚀引起管壁变薄、穿孔、破裂导致事故与水质二次污染，或者管壁严重结垢导致水头损失和输水能耗的增加，输配水能力下降等，造成巨大经济损失。根据2005 年国家建设部的资料：发达国家城市供水管网漏水率占供水量的5 %～6%，我国平均达20%。近年来全国每年漏损的自来水达100 亿m3，比南水北调中线引水工程每年计划从湖北省丹江口水库往京、津、冀诸城市调水95 亿m3还多。根据上海、天津等市定期测定管网粗糙系数统计，发现无防腐措施的管道输水能力降低1/3 以上。美国统计数据表明，管道输水能力降低后，为保证用户用水，就得加大供水泵扬程，这将消耗大量电能。美国供水协会（AWWA）于 1999 年估计，美国的供水企业在今后 20年内将花费 3250 亿美元来更新城市供水管网。对于非金属管道，老化造成的问题也很突出，泉州市近5年自来水管破管近2万次，主要问题在于服役20年以上的老管道发生严重老化，频频破管。

    同样的腐蚀与老化问题也出现在排水系统中，上海市约400 km 的市政排水管道中，接近和超过耐用年限（ 30～40年） 的约为1, 200 km，占管道总长的30%。随着时间推移，大量排水管道由于老化，产生了越来越多的问题。

    给水管道腐蚀影响因素包括：

    1）出厂水质的化学稳定性

    一般而言，经过处理的出厂水水质都能达到国家饮用水水质标准，但是经过给水管网的长距离输配或停留较长时间后，到达用户处时却产生了种种问题，比如水质下降，池度、色度、铁等水质指标升高，严重时产生黄水、黑水等现象，严重影响着居民的日常生活、危害居民的身体健康。管网腐蚀、结垢和由化学稳定性变化导致的铁释放现象问题是引起管网水质恶化的一个重要原因，由于管网老化、运行管理不完善等问题，多数城市给水管网普遍存在腐蚀和结垢现象，但是其根本原因是出厂水水质稳定问题。水质化学稳定性主要是指饮用水在输送的过程中，管道既不会被腐蚀也不会结垢。根据统计资料，我国34 个主要城市中，有50% 的处理原水是地下水的水厂出厂水水质相对稳定，20% 具有结垢倾向，30% 具有腐蚀倾向；而对于处理原水是地表水的水厂出厂水水质来说，只有21% 相对稳定的，腐蚀性的占50 %，轻微结垢的占29%。由此可见，在整个的给水行业中，水质化学稳定性是现存的比较常见的问题，其中腐蚀问题及铁的释放问题更为严重。

    水中存在着水—碳酸盐系统，决定着水是否具有腐蚀性或结垢性。当水中的碳酸钙含量超过其所能溶解的最大值时，就会产生沉淀附着在管道内壁，此时的水具有结垢性。而水中的碳酸钙含量低于其饱和值时就能够将结垢物质溶解到水中，称之为腐蚀性的水。铁的腐蚀和释放是两个不同的过程，腐蚀是由于金属管材与水长期接触发生电化学反应而引起的，反应过程中会产生Fe2+、OH－等物质。经过一系列的化学反应后在管内壁形成管垢，管垢表面产生钝化层，阻断了进一步腐蚀，进入相对稳定的状态。但是水力条件发生变化时，钝化层会被冲刷而遭到破坏，此时，管垢向水中释放铁，使水中铁离子含量升高，同时也大大加速了管道的腐蚀。通过对柳州铁路地区2009年至2010年出厂水与管网水的水质情况进行抽查统计，并对一些指标变化的比较可知，以地表水或地下水为水源时，其管网水与出厂水相比，浊度、铁含量都略有增加，而余氯含量略有下降。管网水浊度一般比出厂水高3.3%～15%，管网水的铁含量一般比出厂水高15.3%～22.5%，管网水的余氯一般比出厂水低37.5%～64%。而原水为地下水的供水管网，其浊度和铁含量的增幅相对更大些。

    2）pH及溶解物的影响

    pH值呈中性时，腐蚀速度不受pH值影响；pH值偏酸性时，发生放氢反应，腐蚀速度加剧；pH偏碱性时，腐蚀速度随pH值增加而减小。pH值发生变化时，Fe（OH）3部分脱水生成铁锈（Fe2O3·H2O）沉积于管壁，由于Fe2O3较松散，故对管壁不会产生致密保护层。

    水中溶解性固体增加，其导电率增加，局部电流也增加，同时腐蚀产物离开金属表面，会导致腐蚀速度加快。水中溶解的离子对管道的腐蚀也有影响，其中水中溶解的阳离子为Cu2+、Fe3+等氧化性重金属离子时，则对阴极极化过程有害；而Ca2+、Zn2+、Fe2+则产生防蚀作用。如果水中含Ca2+、Mg2+盐较多，由于水中的重碳酸钙在钢表面形成碳酸钙膜，阻止了溶解氧的扩散，所以腐蚀性小。Cl-等卤族元素是产生点蚀和应力腐蚀的原因之一，SO42- 或NO3－ 比Cl－影响小，PO43-、SiO32-等有缓蚀作用。另外，水中溶解氧的消耗也会加快管道的腐蚀速度。

    3）流速的影响

    腐蚀速度开始随流速增加而增加，这是由于管壁表面溶氧增多，加快阴极吸氧速度。当流速增加到一定程度，氧到达管表面的速度可建立起氧化条件，使钢铁钝化，腐蚀速度急剧下降。直到流速增加到更高，出现机械破坏表面保护层，腐蚀速度重新增加。

    当管网水流流速增大时，管道内表面的层流层减薄，通过该水层的氧的扩散补给速度增加，促进锈蚀；当流速再增大时，氧供给增大，铁管表面氧气过剩利于钝化，反而腐蚀减少；若流速继续增大，由于紊流将发生气蚀，因机械作用使铁管表面产生空隙腐蚀。供水管道内层流层、紊流层流态对金属腐蚀影响与雷诺数、流速、管径和长度以及管的表面条件有关。对于管网流速的研究，尤其需要注意管网流速低和水流停滞区等不利条件，低流速下的腐蚀速率变化较复杂，没有明显的规律性。

    4）温度的影响

    研究表明在敞口体系中，温度在到达80℃前，腐蚀速率随温度升高而增加，后又逐渐降低；而在封闭系统中，腐蚀速率随温度升高而不断增加。水温是管网水质的一个重要指标，金属表面温度随着水温的增加而增加，按照化学动力学规律，氧向金属表面扩散的速度加快，二价铁在水溶液中的扩散速度加快，电解质的电阻降低，因而腐蚀速度加快。同时，水温升高，管网微生物的活性也显著提高，加速了微生物腐蚀进程。管网水温在工程实践中是不可人为调控的因素，与水厂所处区域、水源选择（地下水或地表水）以及季节变化有关。